[논문 리뷰] Enhancing Cold Wallet Security with Native Multi-Signature schemes in Centralized Exchanges

Shahriar Ebrahimi, Parisa Hasanizadeh외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 01.

Cryptography and Data Security참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중앙집중식 거래소를 위한 네이티브 다중서명 콜드 월렛 아키텍처를 제안하며, 개인키 조각을 여러 대의 에어건프 장치와 관리자들 간에 분산시켜 단일 고장 지점(보안 취약점)을 제거한다. 이 방법은 개별적으로 거래를 서명할 수 없도록 하며, MPC 기반의 키 생성을 통해 보안을 강화하고, 블록체인 호환성을 유지하여 거래 크기나 구조에 변화가 없다.

ABSTRACT

Currently, one of the most widely used protocols to secure cryptocurrency assets in centralized exchanges is categorizing wallets into cold and hot. While cold wallets hold user deposits, hot} wallets are responsible for addressing withdrawal requests. However, this method has some shortcomings such as: 1) availability of private keys in at least one cold device, and~2) exposure of all private keys to one trusted cold wallet admin. To overcome such issues, we design a new protocol for managing cold wallet assets by employing native multi-signature schemes. The proposed cold wallet system, involves at least two distinct devices and their corresponding admins for both wallet creation and signature generation. The method ensures that no final private key is stored on any device. To this end, no individual authority can spend from exchange assets. Moreover, we provide details regarding practical implementation of the proposed method and compare it against state-of-the-art. Furthermore, we extend the application of the proposed method to an scalable scenario where users are directly involved in wallet generation and signing process of cold wallets in an MPC manner.

연구 동기 및 목표

• 기존 콜드/핫 월렛 시스템에서 단일 관리자나 장치가 손상될 경우 모든 개인키에 접근할 수 있는 심각한 보안 결함을 해결한다.
• 거래소 관리자조차도 자산을 독립적으로 지출할 수 없도록 하는 콜드 월렛 프로토콜을 설계한다.
• 제안된 시스템이 기존 블록체인 거래 포맷과 호환되며, 거래 크기나 복잡도에 영향을 주지 않도록 보장한다.
• 사용자가 MPC를 통해 월렛 생성 및 서명에 직접 참여하도록 프로토콜을 확장하여 사용자 통제력을 강화하고 거래소 측의 침해에 대한 내성 강화를 도모한다.
• 실제 구현 환경에서 최신 기술과 비교하여 제안된 방법의 통신 및 계산 오버헤드를 평가한다.

제안 방법

• 블록체인 프로토콜에서 네이티브로 지원하는 다중서명 기반 기법(예: ECDSA 및 Schnorr)을 사용하여 거래 블로팅 또는 구조적 변경 없이 보안을 확보한다.
• 개별 관리자가 각각 담당하는 별도의 에어건프 장치(콜드 게이트웨이 및 코어)에 개인키 조각을 최소 두 대 이상 분산 배치하여, 어떤 개별 기관이나 개인도 전체 키를 보유하지 못하도록 한다.
• 서명 생성을 위해 양자간 계산(2-PC) 프로토콜을 적용하여, 각 당사자가 개인키를 드러내지 않고 서명 조각을 기여하고, 최종 서명은 동의가 이루어진 후에만 재구성되도록 한다.
• 키 생성 및 서명 과정에서 안전한 MPC 기법을 적용하여, 한 당사자가 손상되더라도 개인키가 수학적으로 은폐된 상태를 유지한다.
• 키 교환 및 거래 서명 시기 동안 네트워크 공격 벡터를 제거하기 위해 물리적 저장 장치(예: USB 드라이브)를 통한 에어건프 통신을 구현한다.
• 사용자가 월렛 개인키의 일부 조각을 보유하도록 하여 서명 과정에 참여함으로써 제어권을 분산하고 자산 복구 옵션을 강화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 관리자나 장치가 완전히 손상된 상태에서도 독립적으로 거래를 서명할 수 없는 콜드 월렛 시스템을 설계할 수 있는가?
• RQ2 제안된 다중서명 기반 기법은 기존 콜드 월렛 시스템 대비 통신 및 계산 오버헤드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 키 생성 및 서명 과정에서 사용자의 참여가 보안성과 내성 강화에 얼마나 기여하는가? 이는 사용성에 영향을 주지 않는가?
• RQ4 제안된 방법이 기존 블록체인 거래 포맷과 구조, 특히 서명 크기 및 검증 측면에서 호환성을 유지하는가?
• RQ5 제안된 시스템의 보안성이 ECDSA 및 Schnorr와 같은 기초 암호 primitive의 보안성에 기반하여 공식적으로 감소 가능한가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 어떤 개별 장치나 관리자도 전체 개인키를 재구성하거나 단독으로 유효한 서명을 생성할 수 없도록 하여 단일 고장 지점을 제거한다.
• 통신 오버헤드는 극히 적고, 물리적 매체(예: USB 드라이브)를 통한 에어건프 통신으로 이루어져 네트워크 비용이 없으며, 민감한 데이터의 원격 유출을 방지한다.
• 2-PC ECDSA의 경우 약 3Eₘ + 6Mₛ + 4Mₑc + 2Iₘ, 2-PC Schnorr의 경우 약 2Eₘ + Mₛ + 3Mₑc + Iₘ의 계산 오버헤드가 발생하지만, 현대 하드웨어로는 처리 가능한 수준이다.
• 최종 거래 서명은 크기와 구조 면에서 표준 단일서명 거래와 구분되지 않아 블록체인 효율성을 유지한다.
• 사용자가 서명 과정에 참여하도록 프로토콜를 확장함으로써, 거래소가 침해당하더라도 사용자 참여 없이는 자산을 지출할 수 없도록 보장한다.
• 시스템의 보안성은 기초 PKI(예: ECDSA, Schnorr)의 보안성에 기반하여 공식적으로 감소 가능하며, 표준 가정 하에 강력한 암호학적 보장을 제공한다.